Modélisation hybride stochastique-déterministe des incendies de forêts

par Yann Billaud

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Bernard Porterie.

Soutenue le 06-05-2011

à Aix Marseille 1 , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Ecole polytechnique universitaire de Marseille (Ecole centrale) et de Institut universitaire des systèmes thermiques industriels - CNRS UMR 6595 (laboratoire) .


  • Résumé

    Les grands incendies de forêts sont responsables de la quasi-totalité de la surface brulée et contribuent, par les émissions de particules et de gaz à effet de serre qu’ils génèrent, au réchauffement climatique. Des observations satellitaires ont mis en évidence un comportement fractal que l’on attribue aux hétérogénéités locales (topographie, végétation, conditions météorologiques) rencontrées par ces feux lors de leur propagation. Le présent travail a été consacré au développement et à la validation d’un modèle hybride de propagation d’incendie, capable de reproduire ce comportement. Ce modèle est une extension du modèle original de réseau de « petit monde » où les phénomènes qui se produisent à l’échelle macroscopique, comme le rayonnement du front de flammes et l’inflammation pilotée de la strate végétale sont traités de façon déterministe. Pour décrire le rayonnement, nous avons utilisé un modèle de flamme solide couplé à une méthode de Monte Carlo. La validation a porté sur des configurations simples, mais aussi plus complexes, comme le rayonnement d’un front hétérogène de flammes ou celui d’une flamme d’éthanol. Un modèle d’inflammation a ensuite été élaboré et appliqué à des litières d’aiguilles de pin. Les paramètres du modèle ont été optimisés par un algorithme génétique, conduisant au meilleur accord avec les résultats expérimentaux, en termes de temps d‘inflammation et de perte de masses. Il a été montré que l’oxydation du résidu charbonneux joue un rôle prépondérant sur l’inflammation à bas flux. Le modèle de propagation de petit monde a été validé sur un brûlage dirigé et sur un feu historique, montrant un bon accord en termes de surface brûlée, de vitesse de propagation, de contours de feu, et de propriétés fractales. On a montré qu’il pouvait être utilisé pour le dimensionnement d’ouvrages de défense, comme les coupures de combustible, ou pour expliquer le comportement atypique du feu dans certaines situations (talweg, ruptures de pente, etc.). Son application a également permis d’optimiser le nombre et l’emplacement d’un réseau de capteurs déployés dans la végétation dans le but de localiser précisément et détecter précocement le départ d’un feu.


  • Résumé

    Most of the area burned by forest fires is attributable to the few fires that escape initial attack to become large. As a consequence large-scale fires produce a large amount of green-house gases and particles which contribute to the global warming. Heterogeneous conditions of weather, fuel, and topography are generally encountered during the propagation of large fires. This shapes irregular contours and fractal post-fire patterns, as revealed by satellite maps. Among existing wildfire spread models, stochastic models seem to be good candidates for studying the erratic behavior of large fires, due to the above-mentioned heterogeneous conditions. The model we developed is a variant of the so-called small-world network model. Flame radiation and fuel piloted ignition are taken into account in a deterministic way at the macroscopic scale. The radiative interaction domain of a burning cell is determined from Monte Carlo simulation using the solid flame model. Some cases are studied, ranging from relatively simple to more complex geometries like an irregular flame fronts or an ethanol pool fire. Then, a numerical model is developed to investigate the piloted ignition of litters composed of maritime pine needles. A genetic algorithm is used to locate a set of model parameters that provide optimal agreement between the model predictions and the experimental data in terms of ignition time and mass loss. The model results had shown the importance of char surface oxidation for heat fluxes close to the critical flux for ignition. Finally, the small-world network model was used to simulate fire patterns in heterogeneous landscapes. Model validation was achieved to an acceptable degree in terms of contours, burned area and fractal properties, through comparison of results with data from a small controlled bushfire experiment and a historical Mediterranean fire. Therefore, it has been proven to be a powerful tool in the sizing of fortifications as fuel break areas at the wildland urban interface or in the understanding of atypical behavior in particular configurations (talweg, slope breaking, etc.). It has also been used for the optimization of an in-situ sensor network whose purpose is to detect precociously and to locate precisely small fires, preventing them from spreading and burning out of control. Our objective was to determine the minimum number and placement of sensors deployed in the forest.


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